Materialen in industriële en technische toepassingen, zoals ijzer en staal, worden vaak gebruikt bij extreme drukken en temperaturen of in complexe omgevingen waar hun eigenschappen sterk kunnen verschillen van die onder normale omstandigheden.

Misschien wel het bekendste voorbeeld hiervan in de praktijk zijn de buitentegels van de NASA Space Shuttle Columbia, die was bedekt met een combinatie van silicaverbindingen en aluminiumoxide om het te beschermen tegen temperaturen tot 1, 200 graden F. Nu terugkijkend, het was een ongelooflijke technische prestatie om dit te bereiken, aangezien ze niet de rekenkracht hadden die we vandaag hebben.

Het vermogen om de eigenschappen van materialen te voorspellen, zoals bij de tegels, verre van de omstandigheden die men in de algemene ervaring tegenkomt, en waar experimentele metingen beperkt zijn, is daarom een ​​groot voordeel bij het ontwerpen en ontdekken van materialen. Deze situatie biedt unieke uitdagingen voor materiaalsimulatie, omdat het vereist dat modellen en hun onderliggende aannames worden toegepast in situaties die heel anders zijn dan die waarin ze zijn ontwikkeld.

Een team van IBM Research en het UK Science and Technology Facilities Council's (STFC) Hartree Centre heeft een nieuwe klasse van materiaalsimulatiemethoden ontwikkeld die zijn ontworpen om het voorspellend vermogen te verbeteren en het bereik van omstandigheden uit te breiden waaronder materiaalsimulatiemodellen op moleculaire schaal kunnen worden toegepast met vertrouwen. Dit wordt bereikt door elektronische reacties op te nemen in de moleculaire beschrijving. Deze innovatie stelt de gesimuleerde moleculen in staat zich aan te passen aan hun omgeving zoals "echte" moleculen dat doen en is efficiënt genoeg om te worden toegepast op relatief grote, ingewikkelde systemen.

In een krant die vandaag verschijnt in Natuurwetenschappelijke rapporten , we pakken de gevierde uitdaging aan van vloeibaar water als een modelsysteem dat ongebruikelijke en dramatische veranderingen in fysieke eigenschappen vertoont, afhankelijk van de temperatuur - met bijzonder mysterieus gedrag (zoals een temperatuur van maximale dichtheid en negatieve thermische uitzetting) die zich nabij en onder het vriespunt voordoet.

Ons team gebruikt materiaalsimulatie om de structuur en eigenschappen van water te onderzoeken in de uitersten van zijn stabiliteitsbereik als vloeistof:bij de hoge temperatuurlimiet wanneer de vloeistof voor het eerst condenseert tot kleine moleculaire ketens en druppeltjes tot de laagste temperaturen die bereikbaar zijn voor de sterk gestructureerde "onderkoelde" vloeistof - die ver onder het normale vriespunt overleeft; en in het onbekende "uitgerekte" regime - waar de vloeibare bindingen hoge trekspanningen ondersteunen voordat ze "breken" om dampholten te vormen. Het werk onthult ook voorheen niet-herkende relaties tussen de vloeibare structuur en die van 'glazig ijs'.

De overeenkomst met beschikbaar experimenteel bewijs in zo'n breed scala van omstandigheden is krachtig bewijs dat de elektronische reacties die in het model zijn verwerkt, de essentiële fysica vastleggen die nodig is om enkele van de mysterieuze eigenschappen van water te beschrijven en hun moleculaire oorsprong voor de eerste keer bloot te leggen.

Terwijl we ons in onze paper concentreerden op water of vloeistoffen, het is ook praktisch voor vaste stoffen, en we ontwikkelen momenteel via het Hartree Centre voor bredere toepassingen in industriële sectoren, zoals in de life sciences.

Als ik terugdenk aan de ingenieurs die de Space Shuttle ontwierpen, ze hadden waarschijnlijk maanden, zo niet jaren van vallen en opstaan ​​om de tegels hittebestendig te maken, maar toch licht en niet te broos. Door de technologie toe te passen die in onze paper wordt besproken, hadden ze honderden ontwerpen in enkele minuten kunnen testen. Niet te vergeten, we doen virtuele testen, wat ook veel minder duur en veiliger is in vergelijking met fysieke tests.

Ik ben ervan overtuigd dat dit materiaalsimulatiewerk zal bijdragen aan een nieuw cognitief tijdperk van ontdekking.